丁集煤礦超低濃度瓦斯氧化及低溫?zé)崮芾眉夹g(shù)應(yīng)用

王永保，張紅令，唐志華

(淮滬煤電有限公司丁集煤礦，安徽 淮南 232141)

0 引言

瓦斯作為煤層開采的伴生氣體，易燃易爆，而且存在突出危險，是煤礦安全生產(chǎn)的“潛在殺手”[1-3]。瓦斯的主要成分為甲烷，是僅次于二氧化碳的重要溫室氣體，其溫室效應(yīng)為二氧化碳的21倍，對臭氧層的破壞能力為二氧化碳的7倍[4]。由于煤層氣抽采方式和抽采位置不同導(dǎo)致甲烷濃度差別顯著[5]，其利用難易程度也存在極大差別[6]，甲烷濃度在30%以上(約占煤礦瓦斯總量的10%)的主要用于發(fā)電或作為民用燃料、化工原料等；占煤礦瓦斯總量90%的低濃度瓦斯(甲烷濃度<30%)的利用則是一個難點。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計[7-8]，目前全國瓦斯利用率僅為32.6%，其中低濃度瓦斯利用率僅為10%左右。

目前，低濃度煤層氣的利用主要有低濃度瓦斯蓄熱氧化技術(shù)和低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)[9-10]。雖然低濃度瓦斯發(fā)電、蓄熱氧化等技術(shù)已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展和成果，但是仍然存在一些影響項目經(jīng)濟(jì)性和推廣應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)和工藝難題，而且由于礦區(qū)瓦斯抽采氣源濃度和流量波動性大，對低濃度瓦斯蓄熱氧化及發(fā)電影響顯著。因此，積極開展解決低濃度煤層氣蓄熱氧化利用技術(shù)自身能耗高的技術(shù)難題和解決煤層氣濃度及流量波動大的技術(shù)難題，形成高效、經(jīng)濟(jì)的低濃度煤層氣梯級利用技術(shù)及裝備，將極大地促進(jìn)低濃度煤層氣梯級利用技術(shù)的全面推廣和應(yīng)用[11-12]。基于此，丁集煤礦根據(jù)自身瓦斯抽采狀況及熱能需求，建立超低濃度瓦斯氧化及低溫?zé)嵩蠢玫氖痉豆こ蹋_展超低濃度瓦斯氧化熱能利用和低溫?zé)崮芾玫难芯浚云趯崿F(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)并解決煤礦用能需求。

1 丁集煤礦瓦斯氣源及利用現(xiàn)狀

1.1 礦井瓦斯氣源分析

根據(jù)丁集煤礦的生產(chǎn)接替情況，對有代表性年度(2018年度)的瓦斯抽采及利用情況進(jìn)行統(tǒng)計、分析，結(jié)果如圖1，圖2所示。根據(jù)圖1所示瓦斯抽采濃度，在此將丁集煤礦3個位置的瓦斯按濃度分為超低濃度瓦斯(<6%)，中低濃度瓦斯(6%～10%)，低濃度瓦斯(10%～30%)。在工作面老塘抽采瓦斯屬超低濃度瓦斯，瓦斯?jié)舛仍?.1%～5.6%之間(其中最低的抽采支管濃度為1%左右)，底板巷穿層鉆孔和工作面順層鉆孔抽采的瓦斯屬中低濃度瓦斯，瓦斯?jié)舛仍?.7%～9.4%之間，工作面高抽巷抽采瓦斯屬低濃度，瓦斯?jié)舛仍?6.9%～20.4%之間。從圖2可以看出，不同位置抽采的瓦斯純量也存在極大差別，工作面老塘抽采瓦斯純量在7.6～9.71 m3/min，年均值為8.31 m3/min；底板巷穿層鉆孔和工作面順層鉆孔抽采的瓦斯純量在8.42～10.83 m3/min，年均值為9.77 m3/min；工作面高抽巷抽采瓦斯純量在19.01～21.97 m3/min，年均值為19.93 m3/min。年度內(nèi)礦井總的抽采純量在36.80～40.59 m3/min之間，礦井總抽采純量在38 m3/min左右。

圖1 礦井抽采瓦斯?jié)舛?/p>

圖2 礦井抽采瓦斯純量

1.2 礦井瓦斯利用模式

丁集煤礦根據(jù)礦井瓦斯抽采濃度及抽采量，瓦斯利用模式主要有以下2種。

低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)：主要包括9臺600 kW低濃度國產(chǎn)瓦斯發(fā)電機(jī)組。日常只能將工作面高抽巷抽采瓦斯和底板巷穿層鉆孔和工作面順層鉆孔抽采的瓦斯進(jìn)行摻混，將瓦斯?jié)舛日{(diào)節(jié)至12%～15%，確保低濃度發(fā)電機(jī)組進(jìn)行瓦斯利用。

超低濃度瓦斯氧化煤泥烘干利用系統(tǒng)：主要由一套處理能力為80 000 Nm3/h煤泥烘干瓦斯氧化裝置組成，需要將超低濃度瓦斯與空氣摻混，將瓦斯?jié)舛日{(diào)至1.0%～1.2%。該套系統(tǒng)由于設(shè)備技術(shù)不成熟，系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，正在進(jìn)行設(shè)備升級改造。

超低濃度瓦斯氧化及低溫?zé)崮芾庙椖浚焊鶕?jù)2018年礦井抽采數(shù)據(jù)，各類抽采濃度抽采量所占比例為超低、中低、低濃度抽采純量分別占比22%、26%、52%左右，如圖3所示。從圖3可以看出，丁集煤礦抽采瓦斯利用率低，尤其是濃度低于10%的瓦斯。剩余抽采的瓦斯全部排入大氣中，不僅造成能源浪費，而且對環(huán)境污染也造成一定的影響。鑒于此，丁集煤礦積極開發(fā)新型瓦斯利用系統(tǒng)，2018年開始建設(shè)超低濃度瓦斯氧化及低溫?zé)崮芾庙椖浚撓到y(tǒng)將可利用的瓦斯?jié)舛冉档椭?.0%～1.2%，系統(tǒng)建成后，將礦井所抽采的瓦斯全部利用，同時該系統(tǒng)與礦井現(xiàn)有的壓風(fēng)機(jī)房、低濃度發(fā)電機(jī)組進(jìn)行改造，對余熱進(jìn)一步利用。

圖3 礦井抽采瓦斯利用百分比

2 超低濃度瓦斯利用及低溫?zé)崮芾眉夹g(shù)

2.1 超低濃度瓦斯氧化熱能利用技術(shù)

熱能梯級利用：井下各系統(tǒng)抽采的瓦斯至地面抽采泵站混合后，經(jīng)過一次摻混(2.5%左右)進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送，到超低濃瓦斯利用車間進(jìn)行二次摻混后(1.0%～1.2%)進(jìn)入超低濃度瓦斯氧化裝置(RTO)。氧化放熱反應(yīng)后產(chǎn)生的高溫?zé)煔?950 ℃)進(jìn)入余熱鍋爐，在余熱鍋爐系統(tǒng)中生產(chǎn)過熱蒸汽，過熱蒸汽先進(jìn)入背壓式汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，排出的低溫蒸汽(排汽壓力0.8 MPa，溫度282 ℃)根據(jù)礦區(qū)不同季節(jié)用能需求送至礦井各用熱地點(礦井降溫、井筒保溫、洗衣房干衣、辦公樓供暖)，多余部分進(jìn)入后置凝汽式輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。高溫?zé)煔饨?jīng)換熱后降低到180 ℃以下，通過煙囪排入大氣。超低濃度瓦斯氧化熱能梯級利用技術(shù)工藝流程如圖4所示。

圖4 超低濃度瓦斯氧化熱能梯級利用流程

熱力氧化換向流反應(yīng)器試驗：通過在90 000 m3/h的超低濃度瓦斯熱力氧化換向流反應(yīng)器上通過一系列試驗，對其啟動性能、甲烷轉(zhuǎn)化率、最低自熱平衡甲烷濃度、反應(yīng)器內(nèi)溫度分布規(guī)律以及過熱蒸汽產(chǎn)率等進(jìn)行了研究。甲烷體積分?jǐn)?shù)為1.0%～1.2%時，反應(yīng)器內(nèi)最高溫度為1 066 ℃，甲烷轉(zhuǎn)化率為98.6%。

余熱利用率試驗：依據(jù)GB/T 10863—2011《煙道式余熱鍋爐熱工試驗方法》[13]，余熱鍋爐余熱利用率試驗在機(jī)組100%負(fù)荷下進(jìn)行。機(jī)組負(fù)荷100%工況下，1號余熱鍋爐實測排煙溫度130.0 ℃，余熱利用率(反平衡法)為84.65%，低于設(shè)計值4.75%；2號余熱鍋爐實測排煙溫度113.8 ℃，余熱利用率為 86.64%，低于設(shè)計值 2.76%。

2.2 低溫余熱利用技術(shù)

系統(tǒng)工藝：低溫?zé)崮芾弥饕獙諌簷C(jī)房、瓦斯發(fā)電機(jī)房進(jìn)行改造，冷、熱水箱及其配套水泵等的建設(shè)，主要是利用煤礦現(xiàn)有的9臺低濃瓦斯發(fā)電機(jī)組及礦井3臺離心式空壓機(jī)余熱制取熱水，根據(jù)發(fā)電機(jī)組開啟狀態(tài)，合理調(diào)配制熱系統(tǒng)，為煤礦提供熱能。來自煤礦補(bǔ)水管網(wǎng)的原水進(jìn)入原水箱，經(jīng)原水泵加壓后一路輸送至瓦斯發(fā)電機(jī)房，分配到板式換熱器，原水經(jīng)板式換熱器與缸套水換熱后匯流至熱水箱；另一路輸送到空壓機(jī)房，原水經(jīng)板式換熱器與一次循環(huán)水換熱后匯流至熱水箱，熱水箱的熱水經(jīng)熱水泵加壓后輸送到煤礦各浴室供洗浴用，系統(tǒng)工藝如圖5所示。

圖5 低溫余熱利用系統(tǒng)工藝圖

空壓機(jī)改造：空壓機(jī)在壓縮空氣過程中會產(chǎn)生攜帶大量熱量的熱風(fēng)，熱風(fēng)通過內(nèi)置冷卻器將熱量帶走，攜帶熱量的水進(jìn)入冷卻塔冷卻后使水降溫，熱量排至大氣中[14]。本次改造后將空壓機(jī)內(nèi)置冷卻器改為外置高效換熱器，空壓機(jī)壓縮空氣過程中產(chǎn)生的熱風(fēng)通過一、二、三級高效換熱器，一次循環(huán)水從高效換熱器管內(nèi)流過，熱風(fēng)從管外流過，將一次循環(huán)水加熱到70 ℃，一次循環(huán)水匯流到回水母管后進(jìn)入板式換熱器，循環(huán)水從板式換熱器金屬片的一側(cè)流過，原水從板式換熱器的另一側(cè)逆向流過，吸收一次循環(huán)水的熱量來加熱原水，每臺空壓機(jī)的余熱每小時能將16 t原水(環(huán)境溫度為10 ℃)制成55 ℃的熱水。

瓦斯發(fā)電機(jī)改造：瓦斯發(fā)電機(jī)在運行過程中會產(chǎn)生大量的熱量，攜帶大量熱量的缸套水經(jīng)風(fēng)扇強(qiáng)制冷卻，缸套水所攜帶熱量被排至大氣中。本次改造后攜帶大量熱量的缸套水進(jìn)入板式換熱器，70 ℃左右的缸套水從板式換熱器一側(cè)流過，原水從板式換熱器另一側(cè)逆向流過，吸收缸套水釋放的熱量來加熱原水，每臺瓦斯發(fā)電機(jī)每小時能將3～4 t原水(環(huán)境溫度10 ℃)制成55 ℃的熱水。

2.3 運行效果分析

該項目自建成后運行穩(wěn)定、效果良好，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益顯著，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

創(chuàng)新合作模式：該項目采用合同能源管理模式，由第三方負(fù)責(zé)投資、建設(shè)、運營，打破了傳統(tǒng)的合作方式，充分體現(xiàn)了效益分享。項目自新開工建設(shè)至試運行，共用時14個月，建設(shè)周期短，見效快。

實現(xiàn)瓦斯高效、安全遠(yuǎn)距離輸送：瓦斯輸送系統(tǒng)通過一、二次摻混系統(tǒng)(二次摻混后瓦斯?jié)舛?.2%左右)并配套一、二次放散，實現(xiàn)了低濃度瓦斯高速、高效的輸送。

瓦斯利用率高：提高瓦斯利用率，基本實現(xiàn)瓦斯零排放。通過超低濃瓦斯利用系統(tǒng)的運行，礦井抽采的瓦斯基本實現(xiàn)全部利用。瓦斯利用率由之前的79%左右提升至98%以上，每年可以利用低濃度瓦斯量1.8×107m3，年發(fā)電量2.1×107kW·h左右，極大的提升了礦井瓦斯利用水平。

成功替代煤礦燃煤鍋爐：低溫余熱利用技術(shù)使用后，成功的解決煤礦熱水利用需求，替代礦井原有的4臺燃煤鍋爐，每年可節(jié)約標(biāo)煤1.3萬t，直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)700萬元。空壓機(jī)余熱每天最大制水量為2 016 t。每年可向礦井提供蒸汽1.9×1011kJ左右，提供熱水5×1010kJ左右，滿足礦井2.3×1011kJ/a的用熱需求。

節(jié)能環(huán)保：通過對礦井抽采瓦斯的高效利用，減少了NOx，SO2等氣體的排放，既保護(hù)了環(huán)境又起到節(jié)能效果，每年可減少二氧化碳的排放量約25萬t，且未增加新的污染物排放點，更加清潔環(huán)保。

縱向延伸：通過該項目的成功運用，下一步將繼續(xù)擴(kuò)大熱量回收利用渠道，計劃新建熱風(fēng)管道通往礦煤泥干燥項目，利用氧化爐產(chǎn)生的高溫?zé)煔夂娓擅耗唷＝ǔ珊螅A(yù)計年烘干煤泥30萬t。

3 結(jié)語

煤礦低濃度瓦斯的排空不僅導(dǎo)致環(huán)境污染，而且造成資源浪費，同時鍋爐產(chǎn)生的熱能難以滿足煤礦的需求。基于此，丁集煤礦將低濃度瓦斯蓄熱氧化技術(shù)和低溫?zé)崮芾眉夹g(shù)相結(jié)合，通過超低濃度瓦斯氧化及低溫?zé)嵩蠢眉夹g(shù)的示范應(yīng)用，成功替代了傳統(tǒng)的鍋爐，減少原煤消耗和降低煙氣排放量，對區(qū)域內(nèi)大氣環(huán)境質(zhì)量起到較好的改善作用，實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)；成功做到了礦井抽采的瓦斯全利用，實現(xiàn)了瓦斯零排放；提高能源效率，達(dá)到節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境，減少溫室氣體排放的目的，并帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。